独立调控机制对SLM加工AlSi10Mg合金强度-延展性协同性的影响：基于原位EBSD的研究

《Journal of Alloys and Compounds》：Independent Regulation Mechanisms of Energy Deposition Rate and Volumetric Density on Strength-Ductility Synergy in SLM-Processed AlSi10Mg Alloy: An In-Situ EBSD Investigation

选择性激光熔化（SLM）过程中能量沉积速率与总能量输入对AlSi10Mg合金强度-塑性协同的影响机制研究。采用原位EBSD与拉伸同步分析，设计五组参数组合（27.69–76.92 J/mm3能量密度），揭示功率-速度组合对熔池凝固热力学、晶粒分布（ECD=3.96 μm）及变形协调性的调控作用，低功率（135 W）导致高孔隙率（脆性断裂，延伸率≤3.6%），中高功率（≥180 W）实现致密化与强度-塑性协同（抗拉强度497.54 MPa，延伸率7.8%）。能量密度相同条件下，功率-速度组合差异通过调控晶界形核区（零溶度率区>9%）影响塑性变形行为。

　　在现代制造业中，选择性激光熔融（Selective Laser Melting, SLM）技术因其能够制造复杂结构和高精度零件的能力而备受关注。特别是在中国高铁技术的快速发展背景下，对轻量化与高强度材料的需求日益增加，这促使了对SLM工艺参数及其对材料性能影响的深入研究。本研究聚焦于AlSi10Mg合金在SLM过程中的强度-延展性协同效应，通过原位电子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction, EBSD）技术，分离出能量沉积率与总能量输入的独立作用，揭示了其在调控材料性能方面的机制。

AlSi10Mg合金因其优越的强度-重量比、良好的热导率和耐磨性，被广泛应用于SLM制造领域。然而，SLM工艺参数的优化是提升其性能的关键。这些参数包括激光功率、扫描速度、层厚和扫描间距等，它们共同决定了材料的密度、微观结构和力学性能。已有研究表明，这些参数对最终材料性能的影响显著，且其作用机制复杂。例如，激光功率的增加会导致熔池深度和宽度的扩大，但过高的能量输入可能引发关键孔效应，从而增加材料的孔隙率并降低其机械性能。此外，扫描速度的调整不仅影响熔池的冷却速率，还决定了合金中相的形成与分布，进而影响材料的强度和延展性。

在本研究中，团队设计了一个包含五个参数组合的实验矩阵，覆盖了三个不同体积能量密度（Volumetric Energy Density, VED）水平（27.69–76.92 J/mm3）。通过原位拉伸-EBSD同步分析，研究人员能够实时观察材料在受力过程中的微观结构演变，从而更全面地理解工艺参数对材料性能的影响。研究发现，在低激光功率（135 W）条件下，材料表现出较高的孔隙率和脆性断裂，其延伸率低于3.6%。相反，中等至高功率（≥180 W）条件下，材料的致密化程度显著提高，强度与延展性的协同效应也更加明显，其抗拉强度达到497.54 MPa，延伸率达到7.8%。

值得注意的是，在相同的体积能量密度条件下，激光功率与扫描速度的组合（即功率-速度水平，P-v）对材料性能的影响依然显著。研究发现，中等功率-速度组合（180 W/1300 mm/s）能够优化固相过程的热力学条件，形成均匀的晶粒分布（等效圆直径，ECD = 3.96 μm），并促进熔池边界与核心区域之间的协调变形行为。这种协调变形不仅提升了材料的强度，还改善了其延展性，从而实现了强度与延展性的同步增强。相比之下，低功率-速度组合或高功率-速度组合均未能达到这一效果，说明P-v水平在调控材料性能方面具有关键作用。

此外，研究还揭示了熔池边界处的细晶区在材料性能中的重要性。这些细晶区被认为是零溶质浓度区域，具有较高的塑性变形倾向，并成为裂纹萌生的优先位置。因此，在优化工艺参数时，需要特别关注熔池边界与核心区域之间的相互作用，以确保材料在受力时能够均匀地承受应力，避免局部失效。

从材料的微观结构演变角度来看，不同工艺参数组合导致的熔池形态和冷却速率差异，对合金的相组成和晶粒结构产生了深远影响。例如，高扫描速度结合高功率可以诱导出微米级的细胞状亚结构，其中硅富集的细胞壁厚度小于500 nm，这种结构赋予材料更高的硬度（147.8 HV）。然而，低扫描速度则会导致熔池寿命延长，从而促进硅在熔池边界处的偏析，形成粗大的共晶带。这表明，扫描速度的调整不仅影响了熔池的冷却过程，还对材料的相分布和晶粒结构起到了决定性作用。

同时，层厚的调整也被证明是影响材料性能的重要因素。研究表明，将层厚从50 μm减少到30 μm可以有效降低孔隙率，提高材料的致密度，达到99.8%的密度水平。然而，过薄的层厚（如30–40 μm）需要与扫描间距进行协同优化，以防止熔池之间的重叠不足，进而导致未熔合缺陷的出现。相反，层厚增加至70 μm时，熔池底部可能会形成未熔粉末团簇，导致“链状孔隙”的出现，这种孔隙结构会显著降低材料的力学性能。

综上所述，SLM工艺参数的合理选择对于AlSi10Mg合金的性能优化至关重要。本研究通过分离能量沉积率与总能量输入的独立作用，为高精度制造提供了新的视角。实验结果表明，适当的VED范围（3.5–5.5 J/mm3）能够有效提升材料的致密度，而超出这一范围则可能引发热缺陷和晶粒粗化。此外，激光功率与扫描速度的协同作用不仅决定了熔池的形态和冷却速率，还直接影响了材料的微观结构和力学性能。通过原位EBSD技术，研究人员能够实时捕捉材料在受力过程中的微观结构演变，为深入理解材料性能的形成机制提供了有力支持。

在实际应用中，优化SLM工艺参数不仅有助于提高材料的力学性能，还能有效降低制造过程中的缺陷率，提高产品的可靠性。例如，通过控制激光功率和扫描速度，可以实现熔池边界与核心区域之间的协调变形，从而避免局部应力集中导致的裂纹萌生。同时，通过调整层厚和扫描间距，可以进一步优化材料的微观结构，减少孔隙率，提高致密度。这些发现为高精度制造和复杂结构件的设计提供了理论依据和技术支持。

本研究的创新点在于将原位EBSD技术与拉伸测试相结合，突破了传统静态微观结构分析的局限。传统的微观结构表征方法（如扫描电子显微镜、透射电子显微镜）虽然能够提供详细的材料结构信息，但难以捕捉材料在动态受力过程中的微观变化。而原位EBSD技术能够在材料受力过程中实时记录其微观结构的演变，包括晶粒取向、晶界类型和分布、织构以及应变分布等关键特征。这种技术手段不仅能够揭示材料在不同工艺参数下的微观结构变化规律，还能够将这些变化与材料的宏观力学响应进行同步关联，从而为材料性能的优化提供了更加精准的指导。

通过本研究的实验设计和数据分析，研究人员发现，在相同的VED条件下，不同P-v组合对材料的力学性能产生了显著影响。这表明，单纯依赖VED参数进行工艺优化可能存在局限，而需要进一步考虑能量输入模式（即能量沉积率与总能量输入之间的关系）。这一发现对于指导实际生产过程中的参数选择具有重要意义，特别是在需要同时兼顾强度与延展性的应用领域。此外，本研究还强调了细晶区在材料性能中的关键作用，指出其作为塑性变形优先区域和裂纹萌生点的特性，为后续研究提供了新的方向。

本研究的结论不仅丰富了SLM工艺参数优化的理论体系，也为实际应用中的参数设计提供了重要参考。通过系统分析不同工艺参数对材料性能的影响，研究人员为实现高精度、高性能的SLM制造奠定了基础。同时，本研究也为进一步探索其他铝合金材料在SLM过程中的性能优化提供了借鉴，推动了增材制造技术在航空航天、汽车制造等领域的应用。随着增材制造技术的不断发展，对工艺参数的深入研究将成为提升材料性能和制造效率的关键途径。